Non-perturbative carrier mobility of strongly anharmonic materials from first principles

In dieser Arbeit wird ab initio Molekulardynamik mit dem Kubo-Greenwood-Formalismus kombiniert, um eine nicht-perturbative, stochastische Berechnung von Ladungsträgermobilitäten zu ermöglichen. Dieser Ansatz berücksichtigt inhärent alle Ordnungen der anharmonischen Phonon-Phonon- und Elektron-Phonon-Kopplung. Der Formalismus wurde im ab-initio-Paket FHI-aims implementiert, das Kern- und Valenzelektronen mit numerischen, atomzentrierten Orbitalen beschreibt. Zur Bewältigung der langsamen Konvergenz hinsichtlich elektronischer und nuklearer Freiheitsgrade in Festkörpern nutzen wir numerische Strategien, die Effizienz und Genauigkeit deutlich verbessern. Darüber hinaus verwenden wir zur qualitativen und quantitativen Analyse der temperaturabhängigen Mobilitäten elektronische Spektralfunktion, zu dessen nicht-perturbativer Berechnung wiederum alle Ordnungen von anharmonischer Phonon-Phonon und Elektron-Phonon Kopplung berücksichtigt werden. Hierfür wurde ein effizienter Ansatz zum „Entfalten“ elektronischer Bandstrukturen für nicht-orthogonale, lokale Basen entwickelt und in FHI-aims integriert. Die Leistungsfähigkeit des Formalismus demonstrieren wir anhand der temperaturabhängigen Elektronenmobilität der stark anharmonischen Perowskite SrTiO3 und BaTiO3. Im Vergleich zu perturbativen Methoden zeigt der Ansatz eine bessere Übereinstimmung mit Experimenten, insbesondere bei hohen Temperaturen, was die Bedeutung höherer anharmonischer Beiträge bestätigt. Die nicht-perturbativen Spektralfunktionen stützen diese Interpretation. Abschließend diskutieren wir die Grenzen der Implementierung am Beispiel des metastabilen Kaliumiodids in der kubisch-raumzentrierten Struktur.